2020-11-30 11:37:49聖天使

從物聯網到雲計算,他們用數字技術守護莫高窟

莫高窟.


[天下網商記者 黃天然]

遼闊蒼涼的戈壁深處,敦煌莫高窟已佇立千年。

每年,這座舉世矚目的藝術寶庫,都要迎接200多萬名遊客,可是也許很多人不知道,不像博物館裡那些被恆溫恆濕環境呵護着的文物,莫高窟的每一件彩繪壁畫與泥塑佛像,無時不刻都在遭受着風沙、空氣、雨水、岩鹽與地質災害的侵蝕。




每年前往敦煌的遊客多達數百萬

一代代文物保護專家嘔心瀝血,只為讓它們在歷史長河裡留存更久。




敦煌研究院名譽院長樊錦詩負責了龐大的壁畫修復與存檔工程




文物保護和修復現場 圖片來源:莫高窟


浙江大學計算機學院副教授董亞波就是其中一員。14年來,他與研究團隊為莫高窟裝上環境監測系統,時時刻刻記錄着莫高窟里一件件藝術品的「生命體徵」,還可以通過雲數據庫檢索分析,為文物保護專家「對症下藥」提供了重要幫助。




為敦煌建立環境監測系統的董亞波


美麗而脆弱的莫高窟

2006年11月,董亞波和研究團隊第一次來到敦煌,此行是應敦煌研究院之請,為莫高窟搭建一套環境監測系統。

這是一項刻不容緩的任務。

董亞波來之前就聽說,石窟南區497個洞窟,已有200多個洞窟中的文物遭受了不同程度的傷害,可是直到現場勘查過一些洞窟,他才深刻體會到那些美到勾魂攝魄的壁畫和彩塑,在歲月和大自然的侵蝕下,究竟變得多麼脆弱。




最常見的問題是褪色,日復一日的風沙侵蝕,打磨掉了壁畫和彩塑原本的色彩;更棘手的麻煩是剝落,洞窟微環境內溫濕度頻繁變化,一些壁畫表面酥鹼起甲,紛紛剝落;最嚴重的威脅,則是地質災害導致的崖體傾斜、開裂,部分壁畫如果得不到及早修護,甚至隨時有可能垮落、坍塌。




出現病害的敦煌壁畫

敦煌研究院一直在和這些災害鬥爭,一邊修復,一邊保護,通過定期監測來摸索環境變量影響文物壽命的規律。

然而,當時的監測手段非常落後,文物保護專家通常只能用定期巡查拍照,觀測對比壁畫的狀態變化,發現一些局部出現傷害加劇的趨勢之後,再做分析、找原因。


比如,敦煌最常見的病害——鹽害。

持續降雨之後,洞窟內的空氣濕度升高,會使得壁畫地仗層和後方岩石中的鹽分潮解後經過一系列複雜的物理化學過程,最終會在壁畫表面結晶滲出,導致壁畫受損。

研究人員唯有通過巡查,確認壁畫表面出現鹽害,再用脫鹽、加固等多種技術手段進行修復治理。




這樣監測方式容易滯後,無法做到防範於未然。

除了複雜的自然環境變量,與日俱增的遊客同樣對壁畫和彩塑的保護有着嚴重的影響。




遊客呼出的二氧化碳也會對壁畫造成傷害

敦煌研究院曾公布過一項研究,每40個遊客參觀半小時,洞窟中的二氧化碳含量就會升高7.5倍,溫度升高4℃,空氣濕度更加會大幅度增加。這不僅會對壁畫文物產生嚴重的影響,同時也會對遊客的身體健康非常不利。


數據監測為文物保駕護航

「文物的生命只有一次,一旦損毀就真的沒有了。」

董亞波和同事們很快進入角色,起早摸黑,只為儘快為莫高窟建設一套準確、實時、可實現文物預防性保護的物聯網監測設備。

497個洞窟,他也從最初的找不着北,漸漸走到熟門熟路。




「一直希望我們的技術能找到可以驗證和應用的場景,敦煌就是實現這一價值的地方。」董亞波介紹,「濕度、溫度、二氧化碳、大氣環境數據、污染物數據,以及壁畫病害的變化等,這些對壁畫保護有着關鍵性作用的數據,在預防性保護工作中必不可少,我們要做的就是採集豐富的信息,用於文物保護的分析和預警。」




洞窟中的物聯網監測設備

當時,董亞波用一台計算機作為服務器,與研究團隊一起在莫高窟搭建起無線網絡,先在10多個洞窟中嘗試布置最簡單的監測設備做嘗試。




浙大團隊在莫高窟布置物聯網設備


可是,按照文物保護的要求,監測設備既不能接觸到壁畫表面,又不能影響遊客參觀,更要克服洞窟內不能布設電源和有線無線網絡的困難,所以原本看起來很簡單的工作,其難度急劇上升,不得不通過研製文物保護領域專用監測設備的方案來解決。




避開壁畫布置牆上傳感器


大漠戈壁條件艱苦,但在董亞波和研究團隊的努力下,莫高窟物聯網監測系統進展順利。

2011年,莫高窟內第一套智能聯網的監測預警系統初具雛形,傳感器可實時監測石窟外部的氣象、風沙、水環境、大氣污染,以及洞窟內部溫度、相對濕度、二氧化碳等信息。

2013年,「敦煌莫高窟微環境控制關鍵技術研發」成為國家科技部和國家文物局支持的重大科研項目,敦煌研究院的相關研究團隊與董亞波進一步豐富了洞窟內傳感器監測數據的維度——崖體裂隙、傾斜、振動、洪水等也都納入了系統實時感知範圍。




敦煌莫高窟的數據大屏




大屏上各個洞窟的「小綠點」表示監測指標一切正常


之後,遊客信息也整合進來,從遊客進入窟區參觀的整個過程,都會實時生成人流量數據,如果在旅遊高峰期,一旦哪個洞窟內的人流量和二氧化碳達到預警限值,就可立即進行人流調峰,第一時間保護壁畫。
上雲成為敦煌「標配」

數以百計的傳感器採集到了海量實時數據,卻又帶來了新的難題。

文保數據與其他行業的數據不同,不能定期清理,因為歷史數據反而可能更有價值。

而當所有傳感器不停工作,日積月累之下,數據量變得非常龐大。




傳感器的數量在增多


「物聯網生成文保數據,比如某個時間點的洞窟溫濕度,數據絕對量並不大,可能一年下來也就幾十個GB,但是問題在於,這類數據的條目特別多,有可能會多達幾十億甚至上百億條,而且會源源不斷地持續產生新的數據。而文物保護研究人員則可能會隨時從中選擇一個監測點位的一年甚至幾年的數據,這會對數據庫造成很大的壓力。」董亞波說。




董亞波最擔心的就是窟區停電或者斷網,因為洞窟內的傳感器會在斷電時存儲下數據,電力與網絡恢復後會同時形成巨大的數據補發洪峰,錄入規模一下子就比平時高出一個數量級,這一瞬間就會讓容量有限的服務器不堪重負,甚至導致數據錯亂。

於是,敦煌研究院從2011年就開始建立雲平台,存儲管理海量的物聯網監測數據。

「敦煌上雲開始得非常早,可以說是雲技術剛剛出現的時候,就已經開始引入了。」董亞波說。




上雲後,敦煌莫高窟就像擁有了一個更智能、容量更大且更加安全穩定的「電子文件櫃」,再也不用擔心數據丟失。隨後出現的更大困擾是查詢響應速度。原本,敦煌莫高窟的物聯網監測數據,由敦煌研究院信息中心一套基於SQL(Structured Query Language,結構化查詢語言)的傳統數據庫做支撐,但隨着傳感器數據越來越多,已經逐漸無法支撐百億千億級條目的數據管理需求。




當傳統技術架構上承載着龐大數據時,數據存儲和檢索效率變得越來越低,調用長時間跨度的監測數據需要等待十秒甚至更多的系統反應時間。數據存儲訪問的性能變差,就不得不一次次地增加服務器以提升訪問性能。這讓研究工作的效率大打折扣。


讓更多文化遺產擁有「雲檔案」

2018年,阿里雲與浙大共同發起智雲實驗室,進行高校數字化探索。很快,阿里云為浙大部署了一套專有雲。

專注文保的董亞波成了第一批用戶。通過阿里雲積累的數據庫技術,董亞波首先提出希望解決的就是數據庫反應時間的問題。

「當時用阿里雲數據庫做了測試,訪問性能大概比原來有了幾十倍的提升。」董亞波說。

如今,董亞波將敦煌經驗應用到更多文物保護項目中,如四大石窟之一的甘肅天水麥積山石窟、瓜州鎖陽城、浙江寧波保國寺等等,還有許多博物館的預防性保護項目。




麥積山石窟

這些文物單位的體量小於敦煌莫高窟,同樣有數據採集和監測的需要,卻沒有技術力量去維護數據中心,因此更適合建立「雲檔案」。

董亞波將這些文化遺產中採集到的數據都跑在浙大雲上存儲管理。




董亞波在使用浙大雲平台監測文物數據


而文物實時監測對數據庫的高要求,有時還是會讓董亞波犯難,浙大雲資源有限,數據量一大,有時也會出現數據錄入和查詢卡頓問題。

今年起,浙大開始「眾籌」校內各類分散的計算資源,並通過一條光纖,拉通了阿里雲的公共雲算力,建立了一朵擁有更大資源池的「眾籌式混合雲」。




這朵雲讓浙大研究團隊大為受益,在阿里雲加持下,可以實現彈性分配、隨需而用、無需排期,基本解決了各個文物保護項目實時數據記錄、數據存儲管理和快速查詢調用的需求。

「有了這一雲平台,我們可以很便利地將一些AI算法模型與數據聯通,嘗試尋找隱藏在文保數據內部的奧秘,為不同類型的文物做預防性保護找到更多方案,這對我們很有幫助。」

「最終的監測數據匯集到雲上,這依然有賴於雲平台的存儲和處理能力。」董亞波說。「也許文物無法避免最終消亡的命運,但是我們希望通過科技的力量,能讓它們消亡得儘可能慢一點。」---(天下網商)